于Fluent分析的節能車外形設計與優化

馬明輝，靳紅玲，石復習

（西北農林科技大學，陜西 楊凌 712100）

引言

Honda節能車競技大賽是將參賽團隊設計制作的汽車在規定時間、規定線路，行駛一定距離后，由此換算出車輛消耗一升油所能行駛的公里數，耗油量少者勝出的一項賽事，參賽車輛搭載由本田公司開發的四沖程發動機。在發動機、汽車底盤確定的情況下，車輛的外殼減阻性能對節省油耗有巨大意義，如何設計車殼的形狀進行減阻成為歷屆參賽團隊重點解決問題。

本設計通過參考汽車車身減阻方面的研究文獻和參考其他優秀參賽車隊的外形設計，構思并設計西北農林科技大學Honda節能車競技參賽用車車殼的造型，應用 CATIA和ANSYS ICEM軟件分別對車殼進行三維造型和網格劃分，最后通過ANSYS fluent軟件對其進行流場分析，利用仿真結果（壓力云圖，速度矢量圖，跡線圖）分析產生壓力較大位置和渦流位置的原因，并對這些位置的造型進行優化設計以減小車輛的壓差阻力。

1 車殼三維造型設計

考慮到節能車前軸采用兩個從動輪、后軸采用一個驅動輪的布置形式，車身設計成前寬后窄的造型方案。根據空氣動力學理論，任一運動物體所受到的氣動合阻力(包含形狀阻力、干擾阻力、內循環阻力、誘導阻力、摩擦阻力)與其受到的動壓及它的參考面積(對于汽車常取其迎風正投影面積)成正比，該比例系數為空氣阻力系數CD，對于車身的阻力主要來于車輛前后的壓差阻力[1]，另外，有研究表明，車身從上方看呈近似菱形形狀，在實驗風速為30m/s，側滑角從0度到15度，其阻力系數隨側滑角的變化為0.27～0.30，而普通汽車在同等條件下其阻力系數隨側滑角的變化為0.31～0.52[2]，同時將后擾流板延長并下壓會逐漸降低整車阻力系數[3]，對其進行模仿創新，將尾部延長并下壓。綜合以上設計思路本設計車身三維造型如圖1所示（包含俯視圖）。

圖1 車身三維造型

2 有限元分析

2.1 劃分網格

因為進行流場分析，故而先設置入口面、出口面、壁面以及body。根據經驗，為了模擬汽車行駛狀態，模擬使用長方形的計算域，設汽車尺寸長 × 寬 × 高（L×W×H），計算域尺寸應為 10L×4W×5H[5]。采用Tetra/Mixed方法和Robust(Octree)算法建立全局網格，對不重要的區域適當降低網格密度，對關心的區域進行局部網格加密，從而在能得到較精確結果的前提下，減輕計算機計算量[6]，故對進出口以及周圍區域適當降低網格密度，對關心的車身及周邊區域進行局部網格加密。檢查網格質量網格未出現畸變。

2.2 定義計算模型及監視器

節能車在良好賽道上行駛，沒有橫風作用，車速平均在25km/h，故本研究選用工程上常用的k-e湍流RNG模型來封閉控制方程組，湍流模型如下[7]。

式中Gk——由平均速度梯度引起的湍動項；

Gb——由于浮力影響引起的湍動能項；

YM——可壓速湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；

設定風速為15m/s模擬瞬時最快速度的情況，設置氣動阻力監測曲線和氣動升力監測曲線，用以反應前后壓差大小以及升力大小[8]。

2.3 實驗結果與分析

由車尾速度矢量圖（見圖 2）可知，空氣速度由 15m/s左右通過車身中部過渡到車尾減小至0.9m/s左右，減小過快，可見車前對空氣阻力較大，即空氣對車身阻力較大，且車前速度方向似從一點發出，分析可能存在奇點。由圖3所示的壓力云圖可見，車前最大壓強為 135Pa，車尾最大壓強約為32.6Pa（車尾部受負壓），車身前后所受壓強較大，車尾空氣由左右兩個方向匯入，導致車尾速度方向混亂，形成較大渦流，從而使車尾產生較大負壓。

圖2 車尾速度矢量圖（m/s）

圖3 壓力云圖（Pa）

查看整車受力報告，在010方向即車輛行駛方向（以下簡稱010方向），總的壓差阻力為9.1N，總的表面摩擦阻力為9.9N，兩者總和為19.1N。在001方向即車輛與地面垂直的方向（以下簡稱001方向）所受氣動升力為-59.2N（負號代表方向，下同）。

為確保實驗數據的可信度，從理論上粗略計算總的壓差阻力（Pressure）：

汽車在行駛過程當中，其所受到的空氣阻力一般計算公式為：

其中，CD為氣動阻力系數；ρ為空氣的密度，取ρ=1.2258N.s2m-4；A為汽車的迎風面積，單位為 m2；ur是相對速度，在無風狀況下即汽車的行駛速度(m／s)。

按照典型汽車的參數，取 CD=0.3，A=0.225m2（取節能車實際迎風面在豎直方向上的投影為迎風面），ur=15m/s，算得Fw=9.3N，與仿真結果相近，故仿真結果可信。

3 優化設計

由對實驗結果的分析，尾部湍流較大，受到較大的負壓，以及車架尺寸不可改變這一實際因素考慮，針對減小尾部湍流尺寸，使湍流遠離車身，以及破壞湍流形成，提出兩個優化尾部的方案。

方案一：

在尾部增加擾流板，如圖 4，使分離的氣流重新在擾流板上附著，減少渦流的產生[9]。如圖5優化后車尾速度矢量圖，尾部渦流尺寸明顯減小并且遠離車身。

圖4 尾部增加擾流板

圖5 尾部增加擾流板后車尾速度矢量圖（m/s）

由尾部增加擾流板后整車受力報告可得，在010方向總的壓差阻力為6.7N，與優化前相比降低26 %，在001方向總的氣動升力為-44.7與優化前相比降低24.5%。雖然目標是減小尾部湍流，但是001方向的氣動升力也隨之減小，相當于車身對地面的正壓力也減小了，等效為車身自重的減小，在行駛相同距離時，除了自重減小，其他條件不變的情況下可以更加省油。

方案二：

運用仿生學原理，在尾部增加“鯊魚鰭”如圖 6；汽車尾后方為湍動能的主要耗散區域，因此在該區域安裝附加裝置，抑制附面層增厚和氣流分離，可降低氣動阻力[9]。根據上文仿真結果，空氣由車身左右以及下方匯入，又因為“鯊魚鰭”作用是抑制附面層增厚和氣流分離，綜上重新設計“鯊魚鰭”形狀以及個數及擺放位置，個數為3個，均勻擺放在空氣主要流經區如圖7尾部增加鯊魚鰭后，大的渦流被破壞。

圖6 尾部增加鯊魚鰭

由尾部增加“鯊魚鰭”后整車受力報告可得，在010方向總的壓差阻力為2.2N，與優化前相比降低75.7%，在001方向總的氣動升力為-22.6N與優化前相比降低61.8%。同方案一中，在方案二，001方向氣動升力也出現了下降。

圖7 尾部增加鯊魚鰭后速度矢量圖（m/s）

由圖8三種方案受力比較可見，盡管整車整體形狀由于車架尺寸的限制，沒有做出改變，空氣流過車身后依然由15m/s減小到一個較小值，但是通過在尾部增加擾流板，減小尾部湍流的大小以及增大湍流中心與尾部表面的距離，或在尾部湍流中心增加鯊魚鰭，破壞湍流的形成依然有減阻效果。

圖8 三種方案受力比較

4 結論

本文通過對節能車車殼的設計，以及通過有限元的分析計算及結果分析，完成了節能車空氣動力學分析，得到了不同尾部結構下的車身在正常行駛狀態下的風阻和氣動升力，以及其速度矢量圖，壓力云圖。通過觀察車身尾部的氣動分布，以及所得的壓差阻力，得出車身的優化設計方向，即通過改變車尾結構以減小或破壞車身尾部的湍流，可以在一定程度上降低車輛行駛過程受到的空氣阻力，達到節能的目的。